新能源汽車空調系統的現狀及發展趨勢

曹汝恒，劉松，張書義，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

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新能源汽車

新能源汽車空調系統的現狀及發展趨勢

曹汝恒，劉松，張書義，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

基于新能源汽車的快速發展情況，介紹新能源汽車的分類，歸納汽車空調的功能和要求，以及新能源汽車空調系統的分類及發展趨勢。

新能源汽車；空調系統；發展趨勢

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.037

CLC NO.: U463.61 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2016)06-106-03

引言

目前，全球能源和環境系統面臨巨大的挑戰，世界各國都在大力發展新能源汽車，我國更是將其列入到七大戰略性新興產業之中，出臺了許多對新能源汽車研究開發和使用的鼓勵政策。在十二五期間?中國新能源汽車產業完成了產業化起步階段的任務，剛剛通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》，把新能源汽車推廣列入國家的重要計劃之中，要求提高電動汽車產業化水平。這表明在“十三五”期間，新能源汽車發展在整個國民經濟和社會發展中將處在十分重要的地位，明確了新能源汽車在國民經濟和社會發展中的戰略定位。隨著新能源汽車的飛速發展，新能源汽車空調系統的發展也是日新月異，新技術層出不窮。

1、新能源汽車的分類

新能源汽車是指采用除汽油、柴油發動機之外所有其它非常規的車用燃料作為動力來源的能源汽車。汽車上能夠實現能量轉化的裝置裝置有熱機、電機和燃料電池三種，主要是純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、混合動力汽車（HEV)。

（1）純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）

純電動汽車是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車，它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電動機提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車行駛。

（2）燃料電池電動汽車（FCEV）

燃料電池電動車主要以氫氣作為能源，通過燃料電池機組或者燃料電池發動機這一能量轉換裝置，把氫氣和氧氣以電化方式由化學能量轉化為電能從而通過電機驅動車輛。這類車輛需要配備高電壓電池系統。

（3）混合動力汽車（HEV)

混合動力汽車（HEV)是指采用傳統燃料，同時配以電動機或發動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。混合動力汽車按照燃料種類的不同，又可以分為汽油混合動力汽車和柴油混合動力汽車兩種。

2、汽車空調的功能和要求

現代汽車空調主要有四種功能，其中任何一種功能都是為了是乘客感到舒適。

（1）空調系統的采暖和制冷功能，對車室內空氣或由外部進入車室內的新鮮空氣進行加熱或冷卻，把車廂內溫度控制到保證乘員舒適的水平；

（2）空調系統的過濾空氣和通風換氣功能，可以排除空氣中的灰塵和花粉，又可以吸入新風，保證車內空氣的清新度；

（3）空調系統的濕度自動控制功能，干燥空氣吸收人體汗液，使車內相對濕度保持在 50%~70%，給乘員舒適的環境；

（4）空調系統的除霧除霜功能，通過空調出風清除前擋風玻璃因車內溫差大而產生的霧或霜，為駕駛員提供清晰的視野，保證安全駕駛。

對于汽車空調的要求是能在各種氣候和行駛條件下將車內的環境調整到對人體最適宜的狀態，為乘車人員提供舒適的乘車環境，降低駕駛員的疲勞強度，提高行車安全。新能源汽車空調系統在滿足以上常規動力空調具備的必須的功能和要求之外，還要進一步的開發新技術，解決由于新能源汽車的能源發生變化而對空調系統產生的影響。

3、新能源汽車空調系統的分類及發展趨勢

3.1新能源汽車空調系統的分類

傳統燃油汽車空調的制熱裝置就是一個與發動機冷卻水道相連的暖風散熱器，通過發動機水泵抽吸發動機的冷卻水在暖風散熱器內流動，加熱經過的空氣并吹入駕駛室。汽車空調的制冷裝置主要是由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥和鼓風機等組成，各部件之間通過空調管路連接成一個密閉的系統，制冷劑在壓縮機作用下以不同狀態在這個空間內循環流動達到制冷效果。

由于新能源汽車使用能源的變化必然會對空調系統造成影響，而且其冷熱源與傳統的空調系統也有很大的不同，那么能源使用效率會降低。因此新能源汽車空調的的研發目標是利用新技術盡可能提高能源利用效率，以盡可能少的能源消耗來實現空調系統的功能。

3.1.1純電動汽車的空調系統

對于純電動汽車沒有發動機作為空調壓縮機的動力源，也不能利用發動機余熱作為汽車空調冬天制熱用的熱源，因此空調系統的冷源、熱源和其他能源都來自高壓電池。

空調系統的制冷功能可以用電動壓縮機作為動力源來實現，但為了使電動壓縮機更好工作還要研發壓縮機的轉速控制技術以提高能源利用效率。

如何制熱是純電動汽車空調系統最大的問題，電動汽車無法燃燒燃料產生熱能，電動機散發的熱量小，品味低，回收利用難，因此只能通過高壓電池進行加熱。目前高壓電加熱的方法有兩種，一種是利用高壓電直接加熱空氣，這種方法結構簡單、熱效率高，但具有一定的安全隱患；另一種方法是利用高壓電加熱冷卻液，再通過冷卻液加熱空氣。這樣做可以沿用傳統能源汽車上的暖風散熱器但系統比較復雜，熱效率較低。

3.1.2燃料電池電動汽車的空調系統

燃料電池電動汽車是以燃料化學能轉化成的電能為動力。由于燃料電池的化學能轉換效率低，余熱排放量大，所以燃料電池汽車能耗大。汽車空調的制冷系統也占一大部分能耗，因此可以用余熱吸收式制冷系統。但由于余熱吸收式制冷空調系統的熱力系數還偏低，運行過程中會出現傳熱性能變差，制冷量下降等問題，所以還需要做進一步的技術性研究。

燃料電池電動汽車的采暖系統可以利用燃料電池的余熱加熱冷卻液，吸冷卻液進入暖風器，把經過暖風器加熱的空氣吹入車內。

3.1.3混合動力汽車的空調系統

混合動力汽車就是在純電動汽車上加裝一套內燃機，其能源配備結構與傳統汽車相比變化不大，由發動機和電動馬達共同或各自單獨驅動行駛汽車，它的空調系統與傳統汽車空調的系統基本上沒太大變化，當驅動壓縮機工作的動力來源不同時要改變相應的配置以保證空調功能的正常。

當發動機、電動馬達都參與動力驅動時，車上要配置高壓電池，這樣就有可能用電力驅動壓縮機制冷，當發動機停機時也就可用電動壓縮機制冷。但受電池電壓和容量的限制，電動壓縮機的功率不可能很大，因此在發動機運行時還需要使用發動機帶動壓縮機。所以理想狀態下，使用機械、電力雙模壓縮機制冷。

當汽車處于純電動行駛模式時，為了支撐大功率電機的運行，就要配備高電壓大容量電池，使用高電壓電動壓縮機進行制冷，解決純電動行駛模式下的制冷問題；制熱問題也需要解決，通常制熱需要更高的功率，所以采用獨立的燃燒加熱器加熱冷卻液的方案。當發動機停止運行時啟動燃燒加熱器加熱冷卻液，冷卻液就可以通過暖風散熱器加熱車內空氣。

3.2新能源汽車空調系統的發展趨勢

新能源汽車作為節能減排和新興戰略產業的重要內容，發展趨勢是加大使用高品位能源的比重，能源使用效率也要越來越高，新能源汽車的空調系統作為汽車能源消耗的主要部分也必須要符合這一發展趨勢。

制冷系統和制采暖系統是空調系統的兩大耗能部分，制冷系統的主要能源消耗集中在壓縮機上，他一般需要消耗機械能或者電能等高品位的能源；制熱系統的能源消耗量更大一些，但其可以利用余熱等低品位的能源。因此應根據整車的能源配置情況合理選擇空調系統的技術方案。

新能源汽車空調系統的明顯優勢就是高效節能，這也是空調系統研發的核心問題，要進一步研究新技術提升這種優勢。

對于制冷系統，利用新技術來提高COP值，如高效率低溫差熱交換器技術研究（包括蒸發器和冷凝器）、能量回收型的節流膨脹裝置研究和高效率壓縮機技術研究等。

圖1　電動汽車熱泵空調系統

對于采暖系統，希望能夠盡量回收余熱，在余熱不能滿足需求時應盡量減少對高品位能源的消耗。如可以研究熱泵制熱技術，該技術理論上能達到3以上的制熱能效比。電動汽車熱泵空調系統就是這種發展趨勢，在其熱泵空調系統的風道中，采用了車內冷凝器和蒸發器的結構,其工作原理如圖1所示。制冷工況循環為：由壓縮機經四通閥至車外冷凝器，再經電子膨脹閥 1、車內蒸發器制冷后回到壓縮機。制熱及除霜工況循環為：由壓縮機經四通閥至車內冷凝器，再經電子膨脹閥2節流、車外冷凝器蒸發換熱后通過電磁閥回到壓縮機。

4、結論

綜上所述，不同的新能源汽車空調系統技術解決方案也不同，但所有技術方案都是依據針能源結構的不同研發的，目的是為了解決能源結構的不同而產生的問題，以保證空調系統功能的正常實現。這些技術方案的共同特點是高效率低能耗，但其中還有很多問題需要進一步研發新技術來解決。隨著新能源汽車的迅速發展，新能源汽車空調技術也相應的會快速發展，實現技術領域的高度突破。

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Status of new energy automotive air conditioning system and development trend

Caoru Heng, Liu Song, Zhang Shuyi, Cao Jianming
( Chang'an University School of automobile, Shannxi Xi'an 710064 )

Based on the rapid development of new energy vehicles, introducting the classification of new energy vehicles, summarizing the functions and requirements of automotive air conditioning, as well as the classification and development trend of new energy automotive air conditioning systems.

new energy vehicles; air conditioning; development trend

曹汝恒，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學動力機械及工程專業。

U463.61

B

1671-7988 （2016）06-106-03